Abstract The term ‘biomass’ has been frequently used in recent years. Borrowing from ecology, it refers to bio-energy andbio-based materials which can significantly substitute for fossil fuel and reduce GHG (green house gases) emission. China’s agricul-ture is a major consumer of fossil fuel and releaser of GHG. It may contribute to the less energy consumption and GHG emission inthe nation. Agriculture is a unique industry that produces biomass—a renewable feedstuff of bioenergy. In the transition period fromconventional high-carbon economy to low-carbon economy, bioenergy plays an important role in enriching China’s eco-agriculture.
Key words Bioenergy, Energy consumption reduction, Waste discharge reduction, Low-carbon economy, Eco-agriculture
摘 要：上海论文网生物质(Biomass, 原意生物量)一词出自生态学, 现已成为生物质能和生物基材料的惟一可再生性原料的专用词。生物质可部分替代化石能源, 减少化石能源使用产生的温室气体及污染物。我国农业和农村在节能减排中应有所作为。农业是惟一生产生物质的产业, 在我国的节能减排及向低碳经济战略转型中, 生物质能可发挥重大作用, 也能成为生态农业的新内涵。
关键词：生物质能,节能,减排,低碳经济,生态农业
近年来, 不但“碳汇(库)”[C sink (pool)]、“碳排放“(C emission)和“碳循环”(C cycling)这类生命科学(含生态学)的学术用词进入了通俗话语, 甚至连自然科学界新创造的专业用语, 如“碳中性”(Cneutral)、“碳封存”(C sequestration)、“碳足迹”(Cfootprint)等, 也都很快地被西方社会科学界接受和采用。生态经济学家们更开发了“碳税”(C tax)、“碳交易”(C- certificate trading)、“零碳排放能源技术”(C-free energy technology)等概念, 在公共领域和媒体频繁出现。“低碳经济”(Low-carbon economy)则首次出现在 2003 年英国政府能源白皮书中。“碳”之所以受到如此重视, 盖因以 CO2和以其为代表的温室气体造成的全球气候变化, 已对人类造成巨大威胁。从近代工业革命人类大规模使用煤炭算起, 到20 世纪前期开始加速开采石油, 再到可预见的今后300~500 年中全球煤炭资源耗尽(石油和天然气只有几十年)。其生态实质, 就是把自然生态系统经几十亿年的漫长进化, 才将巨量的碳, 通过具长碳链形态的烯烃类(化石能源)封存于地下, 从而使大气中CO2、CH4等的浓度降低到适合人类和动物生活; 而如今, 却要在短短的几百年中, 把这些封存的碳集中、快速地释放出来。如同打开了“潘多拉魔盒”,必然极大地破坏生态平衡, 造成巨大灾难。大量使用和依靠煤和石油(含天然气)的经济是“高碳经济”, 它注定要排放巨量的 CO2, 还有 SO2和氮氧化合物等其他温室气体, 是不可持续的。“低碳经济”则要改用含碳量很少甚至不含碳的、并且是可再生的燃料[1,2]。它是针对依靠使用属长碳链烃类的煤、石油的传统“高碳”经济模式而言的, 由国际发展界和生态经济学界的一些有识之士近年提出和倡导。联合国环境规划署将 2008 年“环境日”的主题定为“转变传统观念, 推行低碳经济”。生物质(Biomass)的形成是植物同化和固定阳光能和大气中 CO2的结果。它是释放 CO2的化石能使用的逆向过程。从本质而言, 它应能对替代部分化石能源和减少碳排放的绝对量起相当作用。
1 形成目前我国能耗过高、污染物和温室气体排放量巨大的“高碳经济”的成因
近年来, 我国高层领导再三强调要走新型工业化道路, 包括要发展“跨越式经济”。这些提法完全符合可持续发展的要义。节能减排——具体说是在“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗要比“十五”末降低 20%, 主要污染物 SO2和 COD(化学需氧量)排放总量要减少 10%——也早已成为国家最重要的发展目标, 写入国民经济“十一五”计划及多个重要文件之中, 也是我国应对越来越大的国际温室气体减排压力的利器。
1.1 中国是典型的高碳经济目前中国仍处于“高能耗经济”阶段, 是典型的高碳经济。“十五”和 2006 年, 我国都没有实现年初确定的节能及减排的目标。为此“十一五”规划提出了约束性指标, 即到 2010 年万元 GDP 能耗在 2005 年基础上降低 20％左右。2007 年第一季度,经济同比增长 11.1%, 而电力消耗却增长 14.9%。这里涉及所谓“能源弹性系数”的概念, 即国民经济总值每提高 1%, 相应需能源消耗量增加的百分点。发达国家, 即使是能源利用效率最高的日本, 在工业化阶段都经历了能源需求与国内生产总值(GDP)之间弹性系数为 1.0 以上的阶段。但他们都登上了廉价石油的车, 甚至是末班车; 且弹性系数很快降至 0.5 以下。而我们就没有那么幸运了。#p#分页标题#e#
1.2 高能耗不可持续1980~2000 年间, 我国能源需求与 GDP 之间的弹性系数为 0.43。但 2000~2005 年间, 一次能耗(Consumption of primary energy)从每年 13.86 亿 t 标准煤迅速增至 22.25 亿 t 标准煤; 弹性系数则超过了1.0(可持续发展要求需求弹性系数低于 0.5), 其中电力更达 1.4。若该弹性系数水平持续到 2020 年, 届时的年能耗将超出 50 亿 t 标准煤, 比此前最高的预测值还要高出 50%[3]！而届时一次能源的年产量只有不到 30 亿 t 标准煤, 特别是原油的进口依赖度已接近 50%, 能源安全受到严重威胁。大量化石能源(主要是煤)消费是空气污染的主因。我国大气中 70%的 CO2、90%的 SO2以及 67%的 NOx, 还有一半以上的总悬浮颗粒均来自煤炭。2006 年我国因能源使用的碳排放量 14 亿 t, 仅次于居第一位的美国。一些国际专家认为中国的碳排量很快将超过美国。
1.3 形成高碳经济的最重要原因形成高碳经济的最重要原因主要是过于依靠工业特别是重化工业和常规制造业。之所以如此是因为内需严重不足, 因而不得不依赖基本建设投资,从而产生对高耗能产品钢、水泥、玻璃等建材的巨量需求; 同时也不得不依赖出口, 经济的外贸依存度近 40%, 大大超过以出口商品著称的日本(约20%)。而重化工业及相匹配的火力发电均是耗煤特大户; 还使第三产业的比例迟迟不能提高, 传统的制造业虽然对 GDP 增长很有贡献, 但大量消耗能源和资源, 并大量排放温室气体(包括替那些进口中国造产品的国家背“黑锅”), 特别是因为能源效率低下, 使问题更加严重。
2 扩大应用生物质能有助于节能减排
2.1 农村生活和生产用能量可观且增速快2006 年, 全国能源消费统计总量 24.6 亿 t 标准煤, 而农村生活用能(不计入统计量)和生产用能每年分别达 5.0 亿 t 和 4.2 亿 t 标准煤。其中生产用能2/3 是煤, 能效亦不高, 生活用能的 55%仍靠沿用了几千年传统的、热效率极低(<10%)的直燃生物质方式, 因此排放 CO2的总量巨大。同时, 由于目前农民人均能源消费水平只及城市居民的 1/2。可以预料,随着农村全面“小康”和农民收入的不断提高, 农村生活用能和生产用能数量还将会较快地大幅增加[4]。以渔业生产为例, 2005 年我国渔船捕捞、养殖、水产品加工、渔船/渔机制造和渔业饲料的能源消耗折合标准煤 1 935.2 万 t, 约占我国大农业总消耗量(2005 年为 7 971.53 万 t 标准煤, 国家统计局数据)的 1/4。而且渔业的单位产值能耗是全国第一产业总体水平 1.84 倍, 其中捕捞业高达 8 倍。
2.2 农业是污染物和温室气体的排放“大户”在污染物和温室气体排放[5]方面, 除农业造成的非点源污染物(氮、磷化肥)的排放已被很多人认识外, 还有鲜为人知的有机污染物——COD排放问题。农产品加工业特别是淀粉、酿酒、造纸等排放大量以 COD 衡量的高有机物浓度废水。COD 是地表水体(湖泊、河流)富营养化的主要源泉之一, 被列为国家考核污染治理的两大指标之一(另一项是 SO2排放量, 主要涉及空气质量)。全国每年工业/城市 COD总排放量 1 400 余万 t, 大部分来自农产品加工业和食品工业。 渔业生产中主要是水产养殖和海洋捕捞业排放污染物。养殖生产的污染物主要是养殖过程中氮和磷的排放, 捕捞生产的污染主要是柴油机燃烧的废气、废油排放和船上生活污水排放。据推算, 我国海水网箱养殖和池塘养殖的氮排放量可分别达 3.7万 t 和 45 万 t(相比之下我国每年城镇生活污水排放氨氮总量仅 90 多万 t)。另据测算, 全年渔业动力机械主要是 20 多万艘海洋捕捞渔船, NOx排放总量为42.55 万 t, 占全国氮排放总量 1 860 万 t 的 2%(2004年), SOx的排放总量为 19.2 万 t, 相当于全国火电厂SO2排放量 1 281 万 t 的 2.3%(2003 年)。
2.3 有机污染物排放案例再来看广西壮族自治区农产品加工的例子。以甘蔗和木薯为原料的制糖业和淀粉(含酒精)业一直是广西壮族自治区两大支柱产业。但甘蔗和木薯在加工糖与淀粉、进而加工酒精过程中, 产生数量巨大、以 COD 衡量的有机污染物含量达数万 mg•L 1的废液, 即所谓“高浓度有机废液”。广西全境内分布着数百家制糖、淀粉和酒精厂, 且绝大部分是中小规模, 缺乏彻底根治废液污染的理想技术和设备的状况长期存在。加上还有若干造纸厂、食品厂和酿造厂, 使得广西工业废水年 COD 排放量高达70 万余 t, 居全国各省(市、区)之首。按国家有关环保规定, 这些废水的 COD 值必须经处理降至 300mg•L 1以下才能向农地排放; 如果是向水系排放,COD 值更须降至 100 mg•L 1以下, 其处理难度之大可想而知。#p#分页标题#e#
2.4 治污与获取生物质能的“双赢”换一个角度看, 这些高浓度有机废水却是生物质能源的理想原料。一个年产 10万 t糖蜜酒精厂, 废液量 120 万 t,可以回收沼气 4 032 万 m3, 沼气发电6 109 万 kW•h。据估算, 广西糖厂年产生废水 800多万 m3, 淀粉厂年产生废水 1 300 多万 m3, 酒精厂年产生酒精废水 600 万 m3左右。若将其所含能量回收利用,估计每年可获得 10 亿 m3沼气。2000 年起,广西必佳环保科技公司与中国农业大学合作, 在引进 TLP-UASB 技术的基础上, 针对糖蜜酒精废液和木薯酒精废液的特点, 进行了菌群筛选优化、颗粒污泥最适宜培养条件以及厌氧罐内部结构的改进,获得了初步的成功: 在中试规模下, COD 负荷达到25 kg•m 3•d 1, 并通过了自治区科技厅组织的科技成果鉴定, 被认定为“居国内领先水平”。该成果使高浓度有机废液的处理效率比目前国内通用的UASB 技术提高近 10 倍, 而造价只有约 1/3。更有意义的是, 由于能在 24 h 内将 COD 大幅降解, 可规模化地产生数量可观的沼气, 从而为沼气的产业化利用创造了前提条件。
2.5 我国生物质能资源潜力大我国生物能源的资源(农、牧、林业废弃物和下脚料)丰富, 仅农作物秸秆即年产近 8 亿 t, 畜禽粪便20 多亿 t。如加以充分利用, 再加上在不适于种粮棉油的边际性土地种植薯类(特别是木薯)、甜高粱等能源作物, 专家估计可有年替代相当于近 1亿 t原油的潜能[6]。而我国原油的年总产量仅 2 亿多 t。生物质能在我国未来的节能和低碳经济中占有重要地位。主要利用家庭畜牧业的废弃物, 在1990~2005年的 15 年中, 我国的农户产沼气累计提供了相当于2.84×107t 标煤的能量。按照国家 2008 年可再生能源“十一五”规划对农户沼气以及规模化沼气工程到 2010 年年产沼气 190 亿 m3的目标推算, 到 2020年畜禽粪便和各类有机废水(物)如充分利用, 将可达到年产超过 600 亿 m3沼气(甲烷含量约 65%), 相当于当前我国天然气(甲烷含量95%以上)一年的产量。
2.6 生物质能是生态农业题中应有之义我国生态农业的基本原则之一, 就是尽量扩大农业生态系统的第一性生产力, 即获取尽可能多的生物量(Biomass); 同时, 亦强调质、能的循环和多层次利用并减少对化石能源及农用化学品的依赖。因此, 发展生物质能应视为生态农业的一个新内涵。
3 应用生物质能是减少温室气体排放和实现低碳经济的重要手段
生物质能是典型的低碳燃料[7]。就能源利用对大气环境造成的影响而言, 生物质能有两大基本特点: 一是燃烧时获单位能量所产生的温室气体量,只有化石能源的 1/8 左右; 二是如从生物质能的全生命过程(Life cycle, 指从植物的种植到最终被焚烧)来讲, 生物质能的温室气体“投”、“产”平衡, 是所谓“碳中性”的。
3.1 生物质能的低碳性使用生物质能特别是燃料乙醇和沼气的实质,是应用碳原子远少于烃类的醇、烷类, 不但热效率高, 而且在使用中空气污染物(如 SO2)和悬浮颗粒(TSP)的排放量很低。如燃料生物乙醇的 CO2排放量只有汽油的 1/8, 而生物柴油只有柴油的 1/2。它能对节能减排和推行低碳经济作出积极的贡献。以火力发电为例, 对比不同燃料的碳排量(每发1 kW•h 电的 CO2排量), 无烟煤为 750 g, 石油为500 g, 天然气为 370 g, 而生物质如以全生命周期计,CO2的净排量为 0 g。再比较几种主要燃料的 CO2排放系数(每获得4.18×106kJ 的能量排放的 CO2量), 煤炭为 360.8 g, 柴油为 294.9 g, 天然气为 210.4 g,薪柴为 446.6 g。可以推知, 大量使用煤炭和农村燃烧效率很低的薪柴, 是我国 CO2排放量巨大的主要因素之一。
3.2 生物质能的减排效应被国际广泛看重在美国农业部和能源部联合制定的发展生物能源及相关化工产品 2020 年的三大目标中, 除部分替代燃油及石化原料和为农民增收外, 很重要的是要每年减少相当于 7 000 万辆汽车的碳排放量, 相当于 1 亿 t 碳(或约 3.7 亿 tCO2)。欧盟国家则更将减排列为发展生物质能的首要出发点[8]。
3.3 沼气的特殊温室气体减排效应在我国, 发展沼气(主要成分为 CH4, CH4的温室气体增温当量值是 CO2的 25 倍)产业的特殊温室气体减排效应尚未被很多人所认识。自然界特别是农业, 每年要产生大量的 CH4。农业废弃的有机物在很多情况下会降解和产生 CH4。如水稻田因其厌氧环境会不断将有机物转化 CH4进入大气; 反刍动物因纤维素和淀粉等在胃内厌氧发酵, 会产生和通过嗳气排出大量 CH4。全球大气中 70%多的 CH4来自农业。若有意识地收集农业废弃的各种有机物,在控制条件下转化为沼气并加以利用, 即开发沼气产业, 就可产生巨大的减排温室气体的效果。沼气燃料的温室气体排放因子远低于煤和石油[9], 分别为 748 g•kg 1的 CO2和 0.023 g•kg 1的CH4; 而煤炭则分别高达 2 280 g•kg 1CO2和 2.92g•kg 1CH4。1990~2005 年的 15 年中, 我国的农户沼气累计提供了相当于 2.84×107t 标煤的能量, 相当于减排 7.3 亿 t 温室气体当量[10]。按照农户沼气以及规模化沼气工程的发展规划, 到 2020 年将达到年产约 600 亿 m3沼气, 可相应减排温室气体当量 1.2亿 t。届时如全年全国温室气体排量达 40 亿 t, 则沼气可做 3%的直接减排贡献。如果考虑到沼气纯属“新生”出的清洁能源这一因素, 则总的减排贡献率将超过 5%。#p#分页标题#e#
3.4 生物质能的温室气体减排效应不容否定顺便指出的是, 近日在因 2008 年初世界粮价暴涨引发的对生物能源的种种非议中, “减排效应远不像原来说的那么大”被若干媒体反复宣传, 而且据说有在权威科学期刊发表的研究报告的根据。事实上, 这些研究的对象是特定的[11], 是专指如果通过砍伐热带雨林或开垦湿地来种植能源作物(如油棕)再加工出生物柴油, 则这样的生物燃油的 CO2的净减排量几乎是零。显然, 绝大多数的生物燃油并非通过这样的方式生产。只引研究结论而不谈前提的做法必然会产生误导。
4 结语
农业和农村问题在我国历来容易被忽视, 在节能减排问题上可能也依然如此。但实际上, 农业和农村既能可观地增加化石能消耗及增排污染物和温室气体, 反过来如加以重视并处理好, 也能为节能减排做出很大贡献。在当前和今后相当长时期内, 8亿农民仍然是人口的主体。农民的生活、生产用能,农业及其加工业既是全国能源消费总量和因化石能使用导致的污染物/温室气体不可忽视的组成部分,也是很多污染物, 包括面源污染和 COD 等的主要排放源之一。国际上在温室气体减排方面出现的机制创新——碳排放权交易, 以及重视生物质能源对减少温室气体排放和减轻对不可再生能源的依赖所能起的重要作用, 都启发我们, 节能减排一定要有新思路和新的着力点。更重要的是, 从高碳经济转为低碳经济, 形势不允许我们像西方国家那样, 再经历二三百年。但如何实现这方面的“跨越式发展”,生物质能至少让我们看到一种可能性, 就像英国前环 境 大 臣 米 利 班 德[8]用 “ 跳 蛙 经 济 ” (Leapfogeconomy)来形容包括生物能源在内的可再生能源给发展中国家带来的难得机遇那样。总之, 不但不应在节能减排中忽视“三农”, 甚至将其视为包袱, 相反, 应把农村当作节能减排战线广阔的大后方, 把农业和农民当作节能减排的生力军, 使包括开发使用生物质能等可再生能源在内的各种措施为节能减排作出重要贡献。
参考文献
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